Frühwarnsystem zur Beurteilung der Gefährdung kritischer Infrastruktur durch Hangrutschung. Projekt: GeoWSN

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1 Frühwarnsystem zur Beurteilung der Gefährdung kritischer Infrastruktur durch Hangrutschung Projekt: GeoWSN Daniel Koch Institut für Navigation Technische Universität Graz

2 Grundgedanke Der Klimawandel verursacht vermehrt Massenbewegungen wie Felsstürze, Hangrutschungen sowie Vermurungen. Unmittelbare Bedrohung der Infrastruktur Schlagzeilen Schnellzug in der Obersteiermark entgleist ( ) Ein Schnellzug der ÖBB ist am Sonntagabend in der Obersteiermark in eine Mure gefahren und entgleist. [ ] Mehrere Passagiere wurden verletzt. 2

3 Motivation Derzeit fehlt ein System, das zur Bewegungsdetektion wirtschaftlich einsetzbar ist. Anforderungen an ein solches System: dauerhafte Überwachung Präzise (Vor)Warnungen Near-Real-Time Auswertung automatisiert kostengünstig flächendeckend energieautark wartungsfrei Darstellung der Ergebnisse 3

4 Psychologischer Aspekt Warnkonzept Erfahrungen aus dem Katastrophenschutz und der Luftfahrt sollen vereint werden. Definition von Warnstufen Auslösekriterien Komunikationsmedien mit Bevölkerung Fehlwarnungen Visualisierung in der Warnzentrale Human-Machine Interface Landeswarnzentrale Graz 4

5 Umsetzung Projekt: GeoWSN Geo Wireless Sensor Network Ziel Überwachung von Massebewegungen durch energieautarken und wartungsfreien Wireless Sensor Networks in Kombination mit aktuellen GNSS Positionierungstechniken. Förderung» Österreichische Forschungsförderungsgesellschaft m.b.h» Förderprogramms für Sicherheitsforschung 5

6 GeoWSN Konsortium Wissenschaftliche Partner Institut für Navigation Institut für Technische Informatik Wirtschaftspartner Teleconsult Austria GmbH Geolith Consult OEG Bedarfträger Fachabteilung Katastrophenschutz und Landesverteidigung GSK geistes-, sozial und kulturwissenschaftlicher Partner Werkvertrag mit Dr. Ioana Koglbauer 6

7 Umsetzung Projekt: GeoWSN Einsatz von L1 Trägerphasen GNSS Empfänger. Near-Real-Time Auswertung Präzise (Vor)Warnungen kostengünstig Verwendung eines Wireless Sensor Network (WSN) als Übertragungssystems. flächendeckend wartungsfrei automatisiert Energy Harvesting macht es möglich die Sensorknoten mit Strom zu versorgen. energieautark wartungsfrei Web-Oberfläche als Transfermedium Maschine - Mensch Darstellung der Ergebnisse 7

8 Konzept Hardware 7 Sensorknoten sind derzeit geplant. Datenübertragung an einen Server mittels WSN. Software Datenspeicherung am Server. Positionierungsberechnung am Server. Nötige Korrekturdaten für die Prozessierung werden vom Internet bezogen. Übermittlung der Ergebnisse An eine Warnzentrale An die Bevölkerung 8

9 Konzept 9

10 Sensorknoten Bestandteile Prozessrechner Wireless Modul (ZigBee) Sonstige Sensorik (Temperatur, evlt. Hygrosensorik) Energieversorgung GNSS Empfänger und Antenne Verankerung der Sensoren durch Eisenstangen (Pilotierung) Aufgaben Messdatenerfassung Datenübermittlung und Speicherung notwendiger Daten am Server. 10

11 GNSS Hardware GNSS Empfänger ublox EVK-6T Größe [L x B x H mm] 74 x 54 x 24 Updaterate Stromversorgung Anzahl Kanäle Betriebstemperatur Modul Genauigkeit der Rohdaten max. 5 Hz 5.0 VDC 50 (L1) -40 C bis +85 C LEAT-6T-0 Precision Timing Halbe Wellenlänge L1 Träger (9,5cm) D. Koch Kosten [EUR] 295 (Stand Nov. 2012) GNSS Antenne AeroAntenna AT Größe [Ø x H mm] 76,1 x 80,5 Systeme Betriebstemperatur GPS L1, SBAS -55 C bis +85 C Kosten [EUR] 275 (Stand Nov. 2012) D. Koch 11

12 Positionierungsmethoden Precise Point Positioning (PPP) Methode: Absolute Positionsbestimmung Vorteile Verwendung von präzisen Orbit- und Uhrdaten. Real Time Kinematic (RTK) Methode: Relative Positionsbestimmung Vorteile Mittels GNSS höchste erzielbare Genauigkeit bei Echtzeitanwendungen. Keine Referenzstation notwendig. (Einsparung an Kosten) Möglichkeit eines RTK-Netzwerks zur zusätzlichen Genauigkeitssteigerung. Nachteile Nachteile Komplexität der Berechnung Längere ununterbrochene Beobachtungsdauer. Simultane Beobachtungen zu den Satelliten notwendig. Zusätzliche Kosten für Referenzstation 12

13 Positionierungsmethoden Real-Time-Kinematic (RTK) Impliziert relative Positionierung mittels GPS Dieses Verfahren benötigt, Beobachtungsdaten von mindestens zwei GPS-Empfänger. simultane Messungen der Trägerphase (low-cost: L1 only!). einen koordinativ bekannten GPS-Empfänger. A X B X A b AB b AB B Basis Data Rover D. Koch 13

14 Institutssoftware RTK Institutssoftware im Entwicklungsstadium. Auswertung einer Basislinie zum Test der bereits entwickelten Software: Differenz zur Referenzdistanz Einschwingphase 14

15 RTK sensor-network Geodätisches Netz Redundante Überprüfung von Bewegungen der Sensorknoten. Lagerungsproblematik! 4 Referenz D. Koch 15

16 RTK sensor-network 1 2 Geodätisches Netz Redundante Überprüfung von Bewegungen der Sensorknoten. Lagerungsproblematik! 3 4 Hangrutschung! Referenz Basislinienänderung von mehreren Sensorknoten. D. Koch Veränderung der inneren Geometrie des Netzes. 16

17 Netzsimulation Nutzen Abschätzung der zukünftigen Netzgeometrie. Simulation einer Hangrutschung und Abschätzung für den Katastrophenschutz. Abschätzung der Genauigkeitssteigerung durch entstandener Redundanz. Relevante Einstellungen Definition von Lage und Höhe der Sensorknoten Wann soll welcher Knoten rutschen? Messrauschen Referenzknoten Stärke der Hangrutschung Hangneigung Diftverhalten (Stärke, Azimut) D. Koch 17

18 RTKsoft Probleme bei GeoWSN Sehr häufiges Auftreten von cylce slips. Prozessieren mit wenig Satelliten durch Abschattungen. Fixieren der Phasenmehrdeutigkeiten. Verwendung von low-cost Empfänger. 18

19 Ausblick Weiterentwicklung der GNSS Positionierungstechniken. Systemtests ab März Optimierung der Web-Oberfläche. Mögliche Folgeprojektideen Lawinen Vorwarnungen 19

20 Danke für die Aufmerksamkeit! 20

21 Frühwarnsystem zur Beurteilung der Gefährdung kritischer Infrastruktur durch Hangrutschung Projekt: GeoWSN Daniel Koch Institut für Navigation Technische Universität Graz